Học liệu

XÂY DỰNG VÀ MÔ HÌNH HÓA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU

  • 03/12/2017
  • Học liệu

1.1.      Cấu trúc chung về hệ truyền động điện

Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, cơ, thủy lực phục vụ cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho cơ cấu chấp hành trên các máy sản xuất, đồng thời có thể điều khiển dòng năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất.

  • BBĐ: Bộ biến đổi, dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành một chiều hoặc ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng hoặc ngược lại), biến đổi mức điện áp (hoặc dòng điện), biến đổi số pha, biến đổi tần số...

Các BBĐ thường dùng  là máy phát điện, hệ máy phát - động cơ (hệ F-Đ), các chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển, các bộ biến tần...

  • Đ: Động cơ điện, dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng (khi hãm điện).

Các động cơ điện thường dùng là: động cơ xoay chiều KĐB ba pha rôto dây quấn hay lồng sóc; động cơ điện một chiều kích từ song song, nối tiếp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cữu; động cơ xoay chiều đồng bộ...

  • TL: Khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuất hoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hay lắc) hoặc làm phù hợp về tốc độ, mômen, lực.

Để truyền lực, có thể dùng các bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, đai truyền, các bộ ly hợp cơ hoặc điện từ...

  • CCSX: Cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản xuất và công nghệ (gia công chi tiết, nâng - hạ tải trọng, dịch chuyển...).
  • ĐK: Khối điều khiển, là các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi BBĐ, động cơ điện Đ, cơ cấu truyền lực.

Khối điều khiển bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt có tiếp điểm (các rơle, công tắc tơ) hay không có tiếp điểm (điện tử, bán dẫn). Một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác như máy tính điều khiển, các bộ vi xử lý, PLC...

Các thiết bị đo lường, cảm biến (sensor) dùng để lấy các tín hiệu phản hồi có thể là các loại đồng hồ đo, các cảm biến từ, cơ, quang...

1.2.      Xây dựng hệ truyền động điện một chiều

Từ cấu trúc chung của hệ truyền động điện, ta xây dựng hệ truyền động điện một chiều với thành phần cốt lõi là động cơ điện một chiều. Trong đề tài này chúng tôi chọn động cơ điện một chiều có tại phòng thí nghiệm Truyền động điện của Khoa Điện-Điện tử, ĐH Duy Tân.

Động cơ điện một chiều có tại phòng thí nghiệm Truyền động điện này là động cơ điện một chiều kích từ độc lập của hãng Dolin với các thông số định mức như sau:

Bảng  1. Các thông số của động cơ điện một chiều được nghiên cứu

Công suất định mức

0.5

HP

Điện áp phần ứng

190

V

Dòng điện phần ứng định mức

2.5

A

Điện áp kích từ định mức

190

V

Dòng điện kích từ định mức

1

A

Tốc độ quay

1750

v/p

Điện trở phần ứng

5.5

Ohm

Điện cảm phần ứng

0.05

H

Điện trở kích từ

618

Ohm

Điện cảm kích từ

1.2

H

Thành phần thức hai là bộ biến đổi, trong đề tài này do công suất của động cơ không quá lớn nên chúng tôi sử dụng bộ biến đổi là bộ chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển. Các thông số của bộ chỉnh lưu này như sau:

 Bảng  2. Các thông số của bộ chỉnh lưu

THÔNG SỐ

GIÁ TRỊ

ĐƠN VỊ

Điện áp xoay chiều đầu vào

220

V

Điện áp một chiều đầu ra lớn nhất

200

V

Góc mở α

0 ≤ α ≤ π

rad

Thành phần thứ ba là máy sản xuất, máy sản suất được gắn vào trục động cơ để truyền động thông qua cơ cấu truyền lực, trong phòng thí nghiệm Truyền động điện để đại diện cho máy sản xuất người ta sử dụng một máy điện một chiều có cùng công suất gắn vào trục động cơ, sau đó người ta chỉ thay đổi điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng để điều chỉnh tốc độ máy điện đại diện cho máy sản xuất, từ đó có thể thay đổi được mômen cản gắn vào trục động cơ.

Thành phần tiếp theo là bộ truyền lực, ở đây ta sử dụng bộ truyền lực trực tiếp, trục của động cơ được gắn trực tiếp vào trục của máy sản xuất thông khớp nối.

Phần cuối cùng là bộ điều khiển hệ truyền động, mục tiêu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển mờ lai PID để điều khiển hệ truyền động điện một chiều, như vậy trước hết chúng tôi sẽ thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ truyền động điện này, sau đó chúng tôi sẽ phân tích, đánh giá bộ điều khiển truyền thống này từ đó chúng tôi sẽ thiết kế bộ điều khiển mờ lai PID để cải thiện bộ điều khiển truyền thống PID nhằm nâng cao chất lượng điều khiển của hệ truyền động.

Như vậy chúng ta đã có một hệ truyền động điện khá hoàn chỉnh, từ hệ truyền động điện này chúng ta có thể áp dụng vào bất cứ ở đâu có yêu cầu về truyền động điện một chiều với yêu cầu điều khiển cao.

1.3.           Mô hình hóa hệ truyền động điện một chiều

1.3.1.   Mô hình hóa động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều là thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng, như vậy ta có thể xem động cơ là một thiết bị có đầu vào là hiệu thiện thế và cường độ dòng điện, và đầu ra của động cơ chính là momen và tốc độ.

Như ở phần trên động cơ điện sử dụng để nghiên cứu là loại động cơ điện một chiều kích từ độc lập, như vậy ta sẽ xây dựng mô hình toán học của động cơ này gồm hai phần, đó là phần ứng và phần kích từ.

Mạch phần ứng:

Phương trình cân bằng momen trên trục động cơ:

Trong đó:

  • J: Mômen quán tính quy đổi về trục động cơ
  • MC: Mômen tải quy đổi về trục động cơ
  • B: Hệ số ma sát

Bỏ qua hệ số ma sát ta có:

Từ thông do mạch kích từ sinh ra:

Trong đề tài này để thay đổi tốc độ hệ truyền động điện ta chỉ xet đến việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, còn từ thông của động cơ ta xem như là một hằng số (vì ta không thay đổi thông số của mạch kích từ). 

Momen quán tính quy về trục của động cơ: J = 0.01356 (Kgm2)

1.3.2.   Chỉnh lưu cầu một pha.

Ta dễ dàng nhận thấy rằng, đầu vào khâu chỉnh lưu là điện áp điều khiển với mức điện áp rất thấy, thông thường thì không quá 24VDC. Đầu ra của bộ chỉnh lưu là điện áp chỉnh lưu cung cấp cho động cơ điện một chiều, thông thường giá trị điện áp chỉnh lưu này là rất lớn so với điện áp điều khiển đầu vào, cụ thể trong trường hợp này giá trị lớn nhất của nó có thể lên đến 200VDC.

Như vậy khâu chỉnh lưu ta có thể xem như là một khâu khuếch đại với hệ số khuếch đại là KCL.

Trong thực tế, các bộ chỉnh lưu được điều khiển với tín hiệu biến thiên có trễ, thời điểm tín hiệu điều khiển thay đổi không trùng với thời điểm thay đổi của góc điều khiển α (thực tế là tín hiệu điện áp điều khiển đầu vào của bộ chỉnh lưu).

Do đóhàm truyềncủa bộchỉnh lưu sẽlà:

Trong đó: 

Với: - p là số xung đập mạch của mạch chỉnh lưu

        - f là tần số điện áp lưới

Ta có:

Vậy, hàm truyền của bộ chỉnh lưu là:

Với chỉnh lưu cầu một pha đã chọn, ta có:

p = 2;  

f = 50Hz

Suy ra:

Cuối cùng ta có:

1.3.3.   Cảm biến tốc độ.

Để đo tốc độ của hệ truyền động và hồi tiếp với đầu vào, ta sử dụng một máy phát tốc  ET08 có tại phòng thí nghiệm TĐĐ

Các tin khác